（岩土工程专业论文）加筋土挡墙试验研究及变形机理分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 加筋土挡墙是由面板、填料、筋材等组成的复合结构，近年来已广泛应用于公路、 铁路、水运、水利等各类土建工程的支挡结构中。加筋土挡墙的工作性能研究是岩土工 程实践中一个十分重要而且具有现实意义的课题，其中所涉及到的强度、变形、稳定性 等问题，在实际工程中尚未得到很好的解决。这种理论研究滞后于工程实践的现象在相 当大的程度上限制了加筋技术的推广应用。 本文首先回顾了加筋土的发展历史，介绍了塑料土工格栅加筋材料及其加筋土的特 点，分析了塑料土工格栅的加筋机理：摩擦加筋理论和似粘聚力理论。 进行了小比尺模型试验，分析了八种不同工况下面板的变形及格栅的受力情况，试 验数据证明影响加筋土挡墙的变形方式的主要因素是面板刚度，影响加筋土挡墙的变形 大小的主要因素是填土性质和格栅含量。在面板刚度较小的时候，填料性质也对其变形 方式也有影响。 从加筋土挡土墙的实际结构出发，建立了有限元计算模型，将整个加筋土体分为土 体单元、筋材单元和接触面单元，用分离式有限元法对加筋土挡墙进行分析计算，分析 了影响加筋土挡墙位移的敏感性参数，例如加筋材料弹性模量，加筋数量，填料的性质 等，并得出了它们对加筋土挡墙位移的影响变化规律，总结了一些对实际工程有指导意 义的规律性结论。 在前人的研究基础之上，以一楔形受力体为分析模型，研究了加筋土挡墙的土压力 分布特征。根据弹性地基梁理论提出了加筋土挡墙侧向变形理论分析模型。该分析模型 概念清楚，能够综合反映加筋土挡墙的各主要设计参数对侧向变形的影响。 关键词：格栅；加筋土挡墙；有限元分析；参数 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nr s r w a n d a n a l y s i so f d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m a b s t r a c t r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ( r s r w ) i sak i n do fc o m p o s i t es t r u c t u r ec o m p o s e d 、) l ，i t l l p a n e l r e i n f o r c e m e n ta n df i l l i tw a su s e dw i d e l y 粥r e t a i n i n gs t r u c t u r ei nm a n yt y p e so fc i v i l e n g i n e e r i n g , s u c ha sh i g h w a ye n g i n e e r i n g , w a t e rt r a n s p o r te n g i n e e r i n g ，w a t e rc o n s e r v a n c y p r o j e c t ，r a i l w a ye n g i n e e r i n ga n ds oo n t h es t u d yo fp e r f o r m a n c eb e h a v i o ro fr s r wi sa n i m p o r t a n ta n dp r a c t i c a lp r o b l e mi np r a c t i c eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g a tt h ep r e s e n tt i m e ， t h ea p p l i c a t i o na n ds t u d yo fr s r wm a i n l yd e a l sw i t hs e v e r a lp r o b l e m s ，s u c ha ss t r e n g t h ， d e f o r m a t i o n ，s t a b i l i t y ，a n ds oo n t h e s ep r o b l e m sa r en o tw e l ls e t t l e di np r a c t i c e 1 1 1 e s i t u a t i o nl i m i t i si t sp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nt h e o r y i nt h i sp e p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fr e i n f o r c e de a r t hi si n t r o d u c e d t h ef e a t u r eo f t h ep o l y m e rg e o g r i d sa n dt h er e i n f o r c e de a r t ha r ea l s oi n t r o d u c e da n dt h er e i n f o r c e d m e c h a n i s m so fp o l y m e rg e o g r i d sa t ea n a l y z e d ：t h ef r i c t i o nt h e o r ya n dt h ep s e u d oc o h e s i o n c o n c e p tt h e o r y t h ea u t h o rc o n d u c t e das m a l ls c a l em o d e lt e s t t h ed e f o r m a t i o no ft h ep a n e la n dt h e s i t u a t i o no ft h eg e o g r i d sw e r ea n a l y z e d 砀er e s u l t ss h o w st h a tt h es t i f f n e s so ft h ep l a t em a d e ag r e a ti m p a c to no ft h ed e f o r m a t i o nm o d eo ft h er s r w ，t h en a t u r eo ft h es o i la n dt h e c o n t e n to ft h eg e o g r i d sm a d eag r e a ti m p a c to nt h es i z eo ft h ed e f o r m a t i o n i ft h ep a n e li s f l e x i b l e ，t h el a t t e ra l s oa f f e c tt h ed e f o r m a t i o nm o d e c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r eo fr e r w ，t h em o d e lm a d eo fs o i le l e m e n t ，r e i n f o m e m e m e l e m e ma n dp l a t ee l e m e mi sm o d e l e d 1 1 1 er e r wi sc a l c u l a t e dw i mt h em o d e l d i s c u s s e d a n da n a l y s e dt h e s es e n s i t i v e n e s sp a r a m e t e r se m p h a t i c a l l y ，w h i c he f f e c td i s p l a c e m e n to ft h e r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ，s u c ha st h ee l a s t i cm o d do fs t r i p ，t h eq u a n t i t yo fs t r i p ，t h e n a t u r eo fs o i le t e h a v ec a l c u l a t e dt h ec u l v eg r a p ht h a tt h e yi n f l u e n c e sd i s p l a c e m e n to f r e i n f o r c e de a r t hw a l l s o m er e g u l a rc o n c l u s i o nw h i c ha r eb e n e f i ct ot h ea c t u a le n g i n e e r i n ga r e s u m m e du p b a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s a n a l y s i so ft h ef a i l u r ew e d g ea s s u m p t i o n ，t h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o n sw e r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m ，t h el a t e r a l d e f o r m a t i o na n a l y s i sm o d e la b o u tr e r ww a sp r e s e n t c l e a rc o n c e p to ft h ea n a l y t i c a lm o d e l c a l lr e f l e c tt h em a i nd e s i g np a r a m e t e r so ft h er e r wo nt h ei m p a c to fl a t e r a ld e f o r m a t i o n k e yw o r d s ： g e o g r i d s ；r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；p a r a m e t e r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：拉筮挡埴达验珏究及变丝扭堡佥堑 作者签名：j 坠阜牟吼盟年月笪日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 土体具有一定的抗压和抗剪强度，它们的抗拉强度却很低。通过在土体内加入或铺 设适当的加筋材料，并依靠筋材与土体之间的摩擦和嵌锁咬合作用，可以传递拉应力， 分担土体应力，增加土体的变形模量，从而在一定程度上改善了土体的强度和变形特征， 达到提高土体及其构筑物稳定性的目的【。早期人类将自然界中天然植物如茅草、柳条 之类材料埋入土体中来改善土体整体稳定性是建立在感性基础上，主要依靠经验来指导 实践。今天的加筋土技术主要归功于法国工程师h e n r yv i d a l t 3 j 的开创性工作，他通过观 察鸟类用草和泥筑巢的过程启发了加筋土体的念头，首次开创了“加筋土”( r e i n f o r c e d e a r t h ) 技术，初步分析了加筋的机理，并为土体加筋设计与计算提供了一套分析方法， 从而为加筋土技术开辟了更加广阔的应用前景。 在初期的岩土加固工程中，金属材料是主要的加筋材料，但因其在潮湿环境下，如 地下水丰富特别是在盐、酸、碱环境下容易被腐蚀，导致加筋作用部分地或全部地丧失， 因此没有得到广泛的应用。近年来，伴随着高分子聚合物材料的发展，作为新型的土工 加筋材料，土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 应运而生，且以其强度高、耐腐蚀、柔性好、 能在工厂预制和运输方便等特点，在工程中的应用日益广泛，涉及到岩土工程、交通工 程、土木环境工程、水利工程等所有与土、岩、地下水等有关的活动中。土工合成材料 在工程中的作用可概括为过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护作用等六类【训，如图1 1 所示： 用) ( b ) 堤坝排水( 排水作用) ( d ) 加筋陡坡( 加筋作用)( e ) 堤坝防渗墙( 防渗作用) ( f ) 岸坡防护( 防护作用) 图l 。l 土工合成材料在工程中的应用及其作用 f i g 1 1 f u n c t i o n so fg e o s y n t h e t i c su s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e 熊扩 三熏 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 多年以来，支挡结构几乎全部是设计成重力式或悬臂式的混凝土挡墙或石砌挡墙一 类刚性结构。这类结构浪费材料、墙面不美观而且沉降不均匀。自从h e n r yv i d a l 将加 筋原理上升到理论高度以来，大量不同性质材料的加筋结构出现在生产实践中，较早的 一类材料的加筋思想来源于钢筋混凝土，加筋材料为钢筋混凝土预制件，即在受拉钢筋 外表面包裹一层混凝土，这种加筋类似于深基坑支护中经常用的土钉，目前在加筋挡土 墙工程中还经常被使用；与第一类加筋挡土墙结构相比，土工合成材料加筋挡土墙以其 施工简单、经济有效的特点越来越受到广大岩土工作者的青睐，特别是土工格栅这种具 有孔眼结构的新型土工合成材料依靠其特有的孔眼对土的镶嵌与咬合作用，加筋效果更 加明显，在挡土墙中的使用比例也日益增加。 1 2 土工格栅的特性 1 2 1 土工格栅的物理结构特性 土工格栅是由横肋( t r a n s v e r s eb a r s ) 、纵肋( 1 0 n g i t u d i n a lr i b s ) 、结点( j o i n t s ) 及网孑l ( a p e r t u r e s ) 组成。土工格栅的不同部分起的作用贡献也不相同。从格栅的外观上看：格 栅的外形均一，表面平整光泽，明显有碳黑光泽；土工格栅呈网状结构，网孔尺寸大， 网节点处厚度要大于网筋厚度，表面粗糙。相比土工织物易被填料刺破而损坏织物结构、 降低隔离及加固效果的缺点来说，土工格栅的网筋较粗、强度高，不易发生网眼断裂、 抗冲击性强，从而大大提高了抗尖石刺破能力：网孔尺寸稳定性好，对粗粒土有较强的 嵌锁作用及拱效应，增大了土工网格与填料之间的剪切阻力；便于现场裁剪、连接和重 叠搭接。 单向土工格栅的网格根据格栅的强度按l ：7 或1 ：8 进行拉伸，如图1 2 所示。肋条 作为力的承载体，结点作为力的传递点，两者构成一个有效的整体，产品生产工艺的整 体性增加了格栅的平面抗扭模量。此外，格栅各结点具有几何结构对称和分子结构对称 的特点。这种产品生产的一体性决定了格栅荷载传递的有效性。格栅具有优化的几何肋 条，其肋条具有近似9 0 。角的肋条截面，为格栅与填料提供有效的承载面，使肋条能有 效地嵌固填料和传递荷载。单向土工格栅的抗拉强度非常高，一般应用于路堤、桥台、 堤坝、陡坡、挡墙等具有平面应变特征的加筋土工程中。 双向土工格栅具有纵横双向受力的结构特点。如图1 3 所示。双向土工格栅具有肋 条、节点、高强的平面抗扭刚度及呈正方形的厚边肋条，因此双向土工格栅能与土颗粒 形成非常有效的咬合或互锁作用，约束土颗粒的侧向位移。一般在地基和路基加筋工程 中应用较多。 大连理工大学硕士学位论文 + 图1 2 单向土工格栅 f i g 1 2s i n g l eo r i e n t e dg e o g r i d s 1 横肋，2 纵肋，3 结点，4 网孔 图1 3 双向土工格栅 f i g 1 3 d o u b l eo r i e n t e dg e o g r i d s 1 横肋，2 纵肋，3 结点，4 网 3 3 由于单向格栅只进行单向拉伸，其肋条一般比双向格栅的肋条宽，这有助于增强格 栅与填料之间的摩擦作用；而双向格栅的单位面积开孔率更大，与填料间的嵌锁作用更 为显著。 1 2 2 土工格栅的力学特性 土工格栅因其独特的加工工艺而具有较高的抗拉强度和具有较低的延伸率。抗拉强 度一般较拉伸前提高5 1 0 倍，且随材料延伸率和延伸速率的增加而增大，随环境温度 的升高而降低。在相同延伸率情况下，格栅强度发挥远高于其它同类土工合成材料。延 伸率只有拉前的1 0 1 5 ，碎石土在格栅网格内的嵌锁力增强，它们之间的摩擦系数也 显著增大可达( 0 8 1 o ) 【5 1 。 土工格栅埋在土体中，受到沿其平面方向的拉力时，将在拉力方向上引起应力和变 形。由于有法向应力的作用，受拉时上下界面将引起摩擦阻力。该阻力沿拉力方向并非 均匀分布，随各处应变不同而不同。 由于在加筋土挡墙中筋材的力学性能起着较为关键的作用，公路加筋土工程设计 规范 6 1 对加筋土挡墙中筋材的性能做了明确的规定。 1 2 3 土工格栅的长期特性 由于最初的加筋材料天然植物和金属在耐久性方面都不尽如人意，最初人们所关心 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 的问题自然就是土工格栅在使用中的长期性能。当土工格栅应用于实际工程时，不但要 求其能实现一定功能，而且能服务一定的年限，这时我们需要考虑土工格栅的长期特性。 格栅的长期特性主要是指以下两方面内容： ( 1 ) 土工格栅的耐久性 耐久性是指材料在物理和化学性能随时间增加所具有的稳定性。事实应用中，影响 土工合成材料耐久性的因素有许多，如高分子材料的类型和性能、添加剂、产品的几何 形状和加工过程等。经过长期的摸索，科学地总结出可能引起产品性能变差的因素包括 如下几点：紫外线降解、热氧化降解、化学腐蚀、微生物腐蚀。当前生产和使用的土工 格栅一般都加入了碳黑等抗老化材料，从而具备较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗老化等 耐久性能。此外，土工格栅还具有耐折曲的性质，试验证明：经1 0 0 次折曲后，其抗拉 强度仍能保持其初始抗拉强度的9 3 7 左右1 3 j 。土工格栅这种优异的耐折曲性质也有助 于其运输。 ( 2 ) 土工格栅的蠕变特性 土工格栅的蠕变特性与原材料性质有关，更加依赖于产品结构形式、载荷水平、试 样尺寸、加荷速率、试验时间、环境温度、空气湿度与约束条件【7 - 9 1 。很多学者【1 0 m 1 研 究表明：在相同的拉伸荷载作用下，相对于其它的土工格栅，高密度聚乙烯土工格栅蠕 变特性明显地表现出优异性；m c g o w n l l 3 】通过格栅的蠕变试验指出：当格栅的应变率保 持恒定时，格栅的荷载应变特性受温度和应变速率大小的影响显著；a m m l w e s 【1 4 】采用 单步加载装置进行了格栅的加速蠕变试验，通过分析发现：在加载和卸载条件下格栅应 变总体变化是大致相同的，但相对而言，瞬时弹性应变对温度具有很强的敏感性；b u s h t l 5 j 认为，相比温度变化所引起的效应而言，加载水平对蠕变总应变的影响更大等等。 1 3 加筋土挡墙的试验现状 加筋土挡墙是加筋土技术的具体应用的最主要方面之一。加筋土挡墙是由填料和在 填料中布置的一定数量筋材以及墙面板三部分组成一个复合结构。这种结构内部存在着 墙面土压力、拉筋拉力及填料与拉筋间的摩擦力等，相互作用的内力互相平衡，保证了 这个复合结构的内部稳定。同时，加筋土挡墙这一复合结构，要能抵抗拉筋尾部后面填 土所产生的侧向土压力，保证加筋土挡墙的外部稳定，从而使整个复合结构稳定。 1 3 1 模型试验 模型试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行试验研究，并将研究成 果应用于原型试验的方法，还常用于验证新理论或工程设计方案。鉴于模型试验具有典 型性好、可控性好、经济性好的优点，所以模型试验得到了广泛的应用，但是模型试验 大连理工大学硕士学位论文 的局限性在于相似条件通常难以完全满足【1 6 j 。 根据加载方式的不同，可将模型试验概括为两大类：一类是在模型上施加面力或集 中力；一类是在模型上施加体力。在模型上施加面力或集中力，使加筋土结构达到破坏， 国内外许多学者采用该方法【l m 引。在模型上施加体力，使加筋土结构达到破坏，这类试 验在离心机中进行，借助离心机产生的离心加速度，模拟加筋土结构的重力场，同时使 模型具有与原型相似的边界条件。b o l t o n ( 1 9 7 8 ) 2 4 j 是最早利用离心模型试验研究加筋土 挡墙，目前离心模型试验已经比较广泛用于研究加筋挡土墙1 2 5 。2 8 】的性状。 通过模型试验，人们加深了对加筋土挡墙的认识，主要研究成果如下： ( 1 ) 破坏模式：加筋挡土墙的破坏模式可归纳为内部稳定性、面板破坏、外部稳定 性( b a t h u r s t ，1 9 9 4 ) 例三大类。内部稳定性破坏一般表现为加筋拉断、拔出或变形过大3 0 1 。 加筋拉断或变形过大一般发生在加筋材料强度低、模量小的情况下；加筋拔出主要发生 在条带式加筋的挡墙中【3 l 】。面板破坏包括面板塌落、鼓胀、错位、面板与加筋连接破坏。 水平滑动、倾覆是由外荷载和墙背土压力的作用所引起的，可采取延长加筋铺设长度的 措施防止。由于加筋土体实际上不是刚体，倾覆破坏的发生的可能性较小。地基承载力 破坏、地基深层滑动一般在软土地基情况下才发生i 例。 ( 2 ) 墙背上的侧向土压力：由于加筋对填料的约束作用，墙背上的侧向土压力明显 减小。许多学者的实测结果表明，墙背上的侧向水平土压力小于r r n k i n c 或c o u l o m b 的 主动土压力l j z j 。 ( 3 ) 基底竖向应力：p a l i l l e i m l 3 3 在模型试验中发现，当墙顶有超载时，加筋的布置对 基底压力有显著的影响。加筋间距较小，并且加筋的长度相等时，基底竖向应力较小， 而减小顶层加筋的长度就会使基底竖向应力增大，这可能与应力扩散有关。 ( 4 ) 筋材含量：s m i t h ( 1 9 7 7 ) 3 4 1 和j e w e l l 3 5 1 ( 1 9 8 0 ) 在室内试验中发现，在其它条件 不变时，加筋土的强度增加并不总是与加筋的数量成正比。加筋的间距小于一定的值， 加筋之间就会相互干扰，这时所加的筋材对加筋土体所起到的提高抗剪强度的作用就不 断下降。刚度较大的加筋以较大的间距排列，比许多细小的加筋紧密排列在一起更为有 效。 1 3 2 原位试验 原位试验又称现场足尺试验。尽管不太经济，但能够反映加筋工程的实际情况，有 助于对加筋土挡墙的性状及加筋机理进行更深刻的认识。 c h r i s t o p h e r 3 6 】等人( 1 9 9 4 ) 在现场足尺试验中发现，当筋材与面板间为刚性连接时， 面板上的侧向土压力接近主动土压力；为柔性连接时，则小于主动土压力。还有一些实 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 测数据证明面板上的侧向土压力小于朗肯和库仑土压力。 k o n 锄i ( 1 9 9 4 ) 在原型试验中发现【3 4 】，越靠近底层，筋材最大拉力越大，且最大拉力 点越靠近墙面，上层的最大拉力值则变小且向墙体内部移动，各层筋材最大拉力点连线 接近0 3 h 型的潜在破裂面。但也有不少学者发现，当筋材刚度很大，而板刚度相对较 小时，各层筋材的最大拉力点均在筋材与面板连接处。 1 4 加筋挡土墙计算研究和理论研究 加筋土挡墙的计算和理论研究主要集中于设计计算法和校核计算的研究。大体可以 分为极限平衡法、有限单元法和边界元法。另外，2 0 世纪7 0 年代中后期，国内相继提 出了求解接触问题的有限元混合法和变分不等式法等，但他们都不能直接求解土工织物 与土体界面的接触问题。后来，有学者提出直接用于求解土与土工织物界面相互作用的 一种新方法一“影响有限元法 。 1 4 1 极限平衡理论 加筋土的极限平衡法是从无加筋极限平衡法基础上演绎出来的，主要思路是：首先 假定土体为理想刚塑性体，根据可能的破坏形式，沿假定的破坏面滑动，考虑筋材的拉 力对土体稳定性的贡献，然后用静力平衡的方法计算潜在滑楔体或加筋体的稳定性。利 用极限平衡法进行加筋挡土墙设计，需要验算挡土墙的外部( 整体) 稳定性和内部稳定性。 外部稳定性验算是将加筋范围内的土体视为刚性整体，即加筋体，按照重力式挡土 墙结构满足静力平衡条件的原则，进行如下几方面的验算：( 1 ) 抗滑稳定性；( 2 ) 抗倾覆 稳定性；( 3 ) 地基承载力；( 4 ) 整体抗滑稳定性；( 5 ) 地基沉降。 内部稳定性验算则根据筋材被拉断或被拔出两种破坏形式，进行下列验算：( 1 ) 筋材 的间距；( 2 ) 筋材的抗拉强度；( 3 ) 筋材的抗拔强度：( 4 ) 筋材的锚固强度。 按照以上两部分要求设计的计算方法综合起来主要有两种：锚固楔体法( 如英国、 中国) 和双楔体法( 如德国) 。对于外部稳定计算，这两种方法之间没有根本上的区别，但 是采用不同假设将会影响加筋材料的长度。对于内部稳定计算，在锚固楔体法中，假设 一种失稳可能( 图1 4 ) ，该方法不需通过大量计算，可以用简单的计算得出结果，准确性 不高，对于不同坡率的路堤边坡，失稳可能更是难以确定，所以只应用于挡土墙的验算 设计；在双楔体法中( 图1 5 ) ，假设大量的失稳可能，在考虑由加筋材料提供抗失稳 力的同时进行结构内部稳定分析，该方法由于对多种可能破坏进行验算，从而不受单一 失稳可能假设的限制，比较切合实际，适用于加筋挡土墙、加筋土路堤等多种形式，但 计算量大，必须通过计算搜索，找出最不利的滑动面。 大连理工大学硕士学位论文 图1 4 锚固楔体法 f i g 1 4w e d g ea n c h o rm e t h o d 图1 5 双楔体法 f i g 1 5d u a l - w e d g em e t h o d 以极限平衡法为基础，考虑加筋的变形，g o u r c 3 刀提出了“位移法 ，l e m o r u l i e r 【3 8 l 将变分法引入位移法中，提出了“变分位移法 。极限平衡法简单、易行，所以设计单 位多采用极限平衡法，但是由于极限平衡法需要对加筋、土体、滑动面做出许多假定， 与实际情况差异较大，导致极限平衡法计算结果精度较差，只能将极限平衡法看作半经 验半理论的方法。通过积累工程经验和进行试验研究、理论研究，对极限平衡法进行合 理的修正，使其更接近工程实际。 1 4 2 数值分析方法 影响加筋挡土墙性状的因素众多，利用解析方法求解相当困难。目前，数值方法， 尤其是有限单元法，是解决这一问题的最重要的途径。此种方法的优点是不仅可以同时 分析受荷土体的应力场与位移场，而且能在计算中考虑土体的非均质和非线性特征以及 土体随时间和荷载的变化，因而计算成果可反应从施工开始到运行时期土体性状的全过 程。 加筋土的有限元分析主要有两种方法：一种是将筋材与土分开考虑；另一种是将筋 土合为一体，作为一种复合材料整体考虑。此外，介玉新、李广信【3 9 】还提出了等效附加 应力的分析方法。 ( 1 ) 筋材和土分开考虑 加筋土挡墙的计算模型有很多，一般土单元可根据实际情况选取非线性弹性或弹塑 性模型；假设筋材只能承受轴向拉力，可用杆单元来模拟，也可考虑用折线形或多项式 函数来模拟筋材拉伸时的非线性特征。闰澍旺( 1 9 9 7 ) 用梁单元模拟土工格栅，来考虑其 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 抗弯刚度的影响。另外还有人采用弹簧来模拟筋材的受力状态和筋一土接触面性质，筋 材及接触面等影响因素均综合在弹簧系数中加以考虑。如古德曼( g o o d m a n 1 9 6 8 ) 提出 一种零厚度岩石节理单元的力学模型，比较成功的处理了岩体的不连续性，即常用的古 德曼单元。张道宽【4 0 】构造的加筋材料与土相互作用单元是把两个无厚度的接触面单元和 模拟加筋材料加筋的拉杆单元揉和在一起，组成了加筋系统有限元分析的离散结构，能 够很好地适应大转角和大位移，满足了大变形的要求。面板可用实体单元或梁单元来模 拟。对于筋一土之间相互作用的模拟则比较复杂，主要有筋一土之间无相对滑动和筋一 土之间设接触面单元两种假设性的考虑。 ( 2 ) 筋材和土作为复合材料来考虑 把加筋土视为一种复合材料，作为一个整体加以分析，原则上能够简化分析过程。 但是，如何较准确的确定复合材料的物理力学参数、本构关系和屈服准则，是一个关键 点和难点。乐翠英等人0 9 8 9 ) 采用横观各向同性模型，用有限元法计算有关地基上加筋 土垫层的应力与应变，认为计算结果与现场观测的变形规律接近。纤维加筋土是由土与 纤维均匀搅拌而成的，故可将其视为宏观各向同性材料。 ( 3 ) 等效附加应力法 介玉新、李广信【3 9 1 提出等效附加应力法。即把加筋土中筋材的作用等效成附加应力， 并沿着筋材的方向作用在土骨架上，然后对加筋土体进行计算。这样，在有限元的分析 计算中仅出现土体单元，可选用土体单元的适当模型。而筋材单元和接触面单元并不出 现，筋材的作用被当作外力作用于土体单元上，使分析计算大大简化。 1 4 3 本构关系理论 在加筋土结构的分析中，最重要的就是能够尽可能的模拟加筋土这种复合结构的多 种性能，特别是筋一土界面的力学特性，这就要求计算模型的选用要符合实际，尽可能 多地反映材料的本质特性。由于筋一土界面的应力一应变关系表现出明显的非线性和应 变软化以及剪胀性，因此，目前加筋土的本构模型研究主要集中在弹塑性模型方面。 ( 1 ) 弹塑性硬化一软化模型 张孟喜1 4 l 】等人选用窗纱、土工织物、橡胶等作为加筋材料，填料采用砂性粘土进行 不同围压条件下的三轴试验，得出窗纱加筋土和土工织物加筋土的应变硬化一软化的应 力应变三轴试验结果。从应力应变曲线上看，随着荷载的增加，土体的变形一方面 呈增大的趋势，另一方面又受加筋的限制作用，使得加筋土的强度提高。在峰值强度之 后，加筋土表现为塑性变形，出现负坡度的变形曲线，并逐渐达到流动状态，此时应力 一应变表现为一水平线。根据以上结果张孟喜等人总结得出如下计算模型；在第一阶段， 大连理工大学硕士学位论文 应力应变表现为非线性弹性，其应力应变关系满足广义胡克定律；第二阶段从峰值强 度开始下降到残余强度，处于塑性状态，本构方程按应变能原理推导；第三阶段，即流 动阶段，加筋土残余强度保持不变。 ( 2 ) 弹塑性应变模型 对于加筋土本构关系，当筋土复合材料初始屈服后，其性态为部分弹性，部分塑性。 对于任何应力增量，应变增量假定为弹性分量和塑性分量两部分之和，假定塑性应变增 量与塑性势的应力梯度成正比。加筋土材料一般不遵循关联流动法则，但目前尚不能有 根据的确定塑性势函数，因此在加筋土弹性件分析中，一般仍采用相关流动法则，根据 这些假定可得到加筋土的弹塑性应变硬化模型。 1 5 本论文的主要研究工作 土工格栅加筋土挡墙结构的加筋性能应用研究主要涉及三方面问题：强度问题、稳 定性问题以及变形问题( 主要指墙面板的侧向变形分析) 。土工格栅加筋土挡墙的有限元 数值分析是模拟加筋挡土墙工作机理的一种数值计算方法，将上述三方面问题紧密相 连。 本文所做的加筋土挡墙的试验研究及变形机理分析课题，在以下方面做了一些 有益的工作： ( 1 ) 回顾土工合成材料的发展历史，介绍作土工格栅优越的加筋性能，及其在工 程中的应用。 ( 2 ) 广泛查阅有关土工格栅加筋土挡墙的试验及理论研究，分析他们的技术思路、 设计方法和试验方法，提出本次模型试验的基本思路和试验方案。 ( 3 ) 利用模型槽及相关仪器对加筋土挡墙在不同条件下的筋土相对位移及面板变 形进行了系统的研究并得到一系列结论。结合试验数据，分析影响试验结果的各种因素。 ( 4 ) 建立加筋土挡墙的分离式非线性有限元数值计算模型，利用软件a b a q u s 进 行分析，将分析结果与模型试验相比，并分析了相关敏感性参数对加筋土挡墙的变形的 影响。 ( 5 ) 分析了加筋土挡墙的土压力分布规律，建立了加筋土挡墙侧向变形分析理论 模型，分析了加筋土挡墙的侧向变形特征及其主要影响参数。 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 2 土工格栅的加筋机理 2 1 引言 根据理论和试验研究的结果，可以认为加筋土强度的提高或者说是加筋土体自主稳 定性的增加，其基本原理在于加筋材料和土体之间存在着摩阻力。这些基本原理一般可 归纳为两种解释【4 2 】 4 3 】：( 1 ) 摩擦加筋理论；( 2 ) 似粘聚力理论。 2 2 塑料土工格栅的微观加筋机理一摩擦加筋机理 对于塑料土工格栅加筋土，土与土工格栅表面的相互作用所形成的摩擦剪力可分为 两部分m 】，如图2 1 所示：( 1 ) 土颗粒与土工格栅之间的摩擦剪力；( 2 ) 土颗粒与土工格栅 之间的咬合力( 包括土颗粒与土工格栅的横向肋条之间的承端力和土工格栅孔内的土颗 粒与土工格栅孔外的土颗粒之间的摩擦剪力) 。其中( 1 ) 是土工格栅加筋材与其它加筋材相 同的地方，而( 2 ) 是土工格栅区别于其它加筋材料的地方，也是土工格栅优越性的表现。 为了便于论述，本文将( 1 ) 和( 2 ) 两种相互作用都称之为土与土工格栅之何的摩擦力。 为了便于分析土和加筋材料之间的相互作用，可以在加筋土中取一微分段刃来分 析，如图2 2 所示。设由土的水平推力在该微分段拉筋中所引起的拉力为d t = t 1 一t 2 ( 假 定拉力沿拉筋长度讲范围内呈非均匀分布) ；压住拉筋的土重力为法向压力n ；土颗粒 与拉筋之间的摩擦系数为厂；b 为拉筋的宽度，如果 2 n f b d l d t( 2 - 1 ) 则筋一土之间就不会产生相互滑动。如果每一层拉筋均能满足公式( 2 1 ) 的要求，则整个 加筋土结构的内部抗拔稳定性就得到保证。 格栅与土之间的表面摩擦力 相对位 ；= 二垒= 二= o 一二； 移方向 格栅孔内的土与孔外- t - - 土颗粒与格栅横 相对位 移方向 图2 1 土工格栅与土之间的相互作用 f i g 2 1 t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng e o g r i d sa n ds o i l s 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 摩擦加筋理论 f i g 2 2 t h ef r i c t i o nt h e o r yo fr e i n f o r c e d 摩擦加筋理论由于概念简单、物理意义明确，因此在高模量( 如金属加筋) 加筋土的 实际工程中得到较广泛的应用。另外，这种加筋机理的建立为分离式有限元分析奠定了 基础。 2 3 塑料土工格栅的宏观加筋机理一以粘聚力理论 o1 上p vv t 01 上p t j ， f f f h | h f f f h | 言h 010 1 ( a ) 未加筋土( b ) 加筋土 图2 3 未加筋土和加筋土的基本应力状态 f i g 2 3 t h ee l e m e n t a r ys t r e s ss t a t eo fs o i l sa n dr e i n f o r c e ds o i l s 似黏聚力理论将加筋土体看作各向异性的复合材料，采用弹性模量远大于土体的拉 筋与土体共同作用，即依靠填土的抗剪强度、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋抗拔力等组 合作用来提高加筋土体的强度。这种理论认为加筋作用主要等效为土的黏结力c 增加， 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 而加筋后与加筋前土体的内摩擦角基本上不变。未加筋土和加筋土的基本应力状态如图 2 3 所示，由图2 3 ( a ) 可知，对于未加筋的土体试样，在竖向应力q 的作用下，土体产生 竖向压缩变形，随着竖向应力的加大，压缩变形和侧向变形也随之加大，直到破坏。如 果在土体中设置了水平方向的拉筋，如图2 3 ( b ) 图所示，则在同样的竖向应力q 的作用 下，其压缩变形与侧向变形在一定程度有所减小。 由于水平筋材与土之间的摩擦作用将引起土体膨胀的拉力传递给筋材，从而使土体 侧向变形受到约束。筋材的约束作用相当于在土体侧向施加了一个附加压力a c t ，。如图 2 4 ( a ) 所示，m o l a r 圆1 和m o h r 圆2 分别表示未加筋土体和加筋土体的极限应力状态， 由图可知，筋材的加筋作用使土体的侧向压力减小，亦即在相同的轴向变形条件下，加 筋土能承受较大的主应力差，这点可以通过图2 4 ( b ) 中的常规三轴试验中的应力变化情 况来表示。图中m o h r 圆3 和m o h r 圆4 为未加筋土的极限应力状态，m o h r 圆5 为加筋 土的极限应力状态。当围压即吧保持不变时，加筋土能承受的最大主应力增加了a c t 。； 当大主应力q 不变的情况下，小主应力减小了a c t ，。上述分析说明：加筋土体的强度比 未加筋土体的强度有所增加，可以采用一条新的抗剪强度包线来反应这种关系，如图2 4 所示。 上述加筋理论已经被试验所证实，对于砂土而言，未加筋时的黏聚力为0 ，如图2 4 所示，加筋砂土与未加筋砂土的强度包线近似平行，说明加筋后的内摩擦角缈值基本不 变。由于加筋使砂土表现出一定黏结力，加筋砂土的抗剪强度性能得以改善，增加的黏 结力为c 。 ao 工 h 0 3 ( a ) a o 工 h 卜一 0 3 a 0 1 ( b ) 图2 4m o h r - c o u l o m b 强度理论 f i g 2 4 m o i l r - c o u l o m b st h e o r yo fs 订e n g t h 大连理工大学硕士学位论文 极限状态下的准黏结力可以根据m o h r c o u l o m b 理论确定【7 1 。如图2 4 所示，在加 筋前，极限状态时的大主应力为： o t 吧，t a n 2 ( 4 5 。+ 么) = ( o - 3 + a o 3 ) t a n 2 ( 4 5 。+ 约 ( 2 2 ) 加筋后，土体处于新的极限平衡状态，此时大主应力为： 铲仃。t a n 2 ( 4 5 。+ 么) + 2 k c t a n ( 4 5 。+ ) 亿3 ， 比较式( 2 2 ) 与式( 2 3 ) ，可以得到： 盯，t a n 2 ( 4 5 。+ 么) = 2 血t a n ( 4 5 。+ 么) q 川 因此，由加筋所产生的等效黏结力为： a c = 吒砗 ( 2 5 ) 其中，巧为被动土压力系数，巧= t 9 2 ( 4 5 。+ 争 上述理论是建立在加筋材料不出现断裂以及筋土之间不出现滑移，同时也不考虑筋 材受力后产生拉伸变形的情况下得出的，因此适用于高强度和高模量的加筋材料，如钢 带、钢片、土柳钉等。对于低模量、延伸率大的柔性加筋材料，由于变形大，不能完全 控制土体的侧向变形，因而对这些材料的加筋机理，不考虑其变形的影响是不切实际的。 为了考虑筋材的变形影响，取一加筋楔体来4 5 1 做分析，如图2 5 所示。图中a 为横截面 积( 秒= 4 5 。一等) ，伊为土的内摩擦角，t 为与破裂面相交的各加筋层的水平合力，吒为 筋材的极限抗拉强度，r 为土体所受的土压力。根据静力平衡条件有： t + 0 3 a t a n ( 4 5 + 妒2 ) = q 4 t a n ( 4 5 0 + 伊2 ) ( 2 6 ) 拉筋所能承受的水平合力为： r：osa,atan(45。+rp2) ( 1 ) 上一一 i ， s r s h 其中，品为加筋土体中加筋层的垂直间距；昂为加筋土体中加筋层的水平间距； 彳。为拉筋的截面积。将2 2 式和2 7 式代入2 6 式得： a c ：o s a , t a n ( 4 5 。+ d p 2 ) 佗8 ) 2 s y s h 、。 其中，血即为拉筋产生的准粘聚力。 加筋土挡墙试验研究及变形机理分析 s v 03 船 t 图2 5 加筋土力学平衡图 f i g 2 5 t h ef o r c eb a l a n c eo ft h eb l o c k ao3 t a n0 ao1 一般来说加入非延伸性加筋材料的加筋土的初始压缩模量比非加筋土的初始压缩 模量大很多，而加入延伸性加筋材料的加筋砂的初始压缩模量与非加筋砂相比，变化不 是很大。因而可以得出以下的分析结果：高模量加筋材料能够迅速提高加筋土的强度， 其作用效果见效快，能够快速控制加筋土体的变形，但是一旦加筋材料的性能得到了全 面的发挥，加筋土体的变形不能过大，否则导致加筋材料的拉断破坏。而加入低模量的 延伸性加筋材料的加筋土更具有柔性，允许加筋土体有较大的变形，且加筋材料随着加 筋土的变形增大而作用加强。加筋材料变形达到很大时加筋材料才会产生拉断破坏，这 使得加筋土的变形问题弱化，准粘聚力的作用逐步发挥，与粘土的性质更加接近。 2 4 小结 塑料土工格栅的加筋机理可以用两种理论来解释，即摩擦加筋理论和似粘聚力理 论。似粘聚力理论可以在宏观上说明加筋土的加筋效果，而摩擦加筋机理却能在本质上 解释塑料土工格栅的加筋作用。格栅特有的网眼结构，产生对土颗粒特殊的嵌锁与咬合 作用，其加筋机理与一般条带式的加筋材料又有所不同，而且加筋效果更为理想。 一般来说，高模量的筋材能够迅速提高加筋土的强度，但是允许